Γεωργία Ακριβείας και Επιτόπια Επαλήθευση

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφέας
William W. Casady
Department of Biological and Agricultural Engineering, UNIVERSITY OF MISSOURI –COLUMBIA, USA Harlan L. Palm

Department of Agronomy, UNIVERSITY OF MISSOURI -COLUMBIA

Πηγή

Precision Agriculture: Remote Sensing and Ground Truthing

Published by MU Extension, UNIVERSITY OF MISSOURI –COLUMBIA, USA

Σκοπός

Η τηλεπισκόπηση, σήμερα, ενσωματώνει τις νέες τεχνολογίες που παρέχουν τις όλο και περισσότερο αποδοτικές, πλήρεις, εξακριβωμένες και έγκαιρες πληροφορίες. Αυτές οι νέες τεχνολογίες, μαζί με παλαιότερες φωτογραφίες, παρέχουν την ενημερωτική βάση για ένα πρακτικό αποφασιστικό εργαλείο για την επιτόπια εξειδικευμένη διαχείριση των συγκομιδών. Η πραγματική συνεισφορά της τηλεπισκόπισης είναι ότι σε πραγματικό χρόνο λαμβάνεις δεδομένα και πληροφορίες που σε οδηγούν στην γεωργία ακριβείας. Με την κατάλληλη διαδικασία οδηγείσαι στην ασφαλή ερμηνεία για την κατάσταση μιας καλλιέργειας όπως πχ, της προσβολής από παράσιτα και ασθένειες, τις διαφορές σε ημερομηνία φύτευσης, την ποικιλία, το ποσοστό σποράς, το βάθος σποράς, την χρήση ζιζανιοκτόνων και λιπάσματος ενώ η ανάλυση προχωρά και σε άλλους παράγοντες όπως οι διαφορές στον εδαφολογικό τύπο και τις ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά των αποστραγγίσεων και της υγρασίας.

Εισαγωγή

Οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης παρέχουν ένα διαγνωστικό εργαλείο που έχει τουλάχιστον δύο σημαντικές λειτουργίες καθώς επίσης και πολλές άλλες χρήσεις στην επιτόπια εξειδικευμένη διαχείριση των συγκομιδών. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει το συντελεστή ανάκλασης της ενέργειας του φωτός από την κόμη των δένδρων, ο οποίος μπορεί να είναι χρήσιμος στην ανίχνευση διαταραχής των φυτών ενώ υπάρχει ακόμα χρόνος να διορθωθεί το πρόβλημα. Οι εικόνες ή οι χάρτες που δημιουργούνται χαρακτηριστικά με την τηλεπισκόπηση παρέχουν επίσης μια γρήγορη μέθοδο για τον υπολογισμό της έκτασης μιας καλλιέργειας με ένα σημαντικό χαρακτηριστικό ή της θέσης των περιοχών με χωράφια που εμφανίζουν να έχουν τα παρόμοια χαρακτηριστικά. Αυτες οι εικόνες ή χάρτες είναι χρήσιμες στην ανάπτυξη των σχεδίων επεμβάσεων για την άμεση εξέταση των ανιχνευμένων συνθηκών του εδάφους ή των φυτών και στην ανάπτυξη επιτόπιων συγκεκριμένων μεθόδων καλλιέργειας. Οι εικόνες που λήφθηκαν με τηλεπισκόπηση παρέχουν μια οπτική μέθοδο για τα αποτελέσματα των μιας σειράς από δεδομένα όπως το λίπασμα, και το όργωμα. Είναι επίσης χρήσιμοι στην κατανόηση των επιπτώσεων περιβαλλοντικών παραγόντων όπως οι αποστραγγίσεις ή οι προσβολές παρασίτων. Σε αντίθεση με τους παραγόμενους χάρτες, που έχουν επιπτώσεις μόνο στις μελλοντικές αποφάσεις, οι εικόνες τηλεπισκόπισης μπορούν να συλλεχθούν αρκετές φορές και καθ' όλη τη διάρκεια της ανάπτυξης της καλλιέργειας, και να επιτρέψουν τις έγκαιρες διιαχειριστικές αποφάσεις να διορθωθούν τα προβλήματα ή οι ανεπάρκειες στην τρέχουσα συγκομιδή. Για αυτόν τον λόγο, η τεχνολογία τηλεπισκόπησης προσθέτει μια σημαντική διάσταση στην επιτόπια διαχείριση των συγκομιδών.

1939 photograph

(1956 photograph.)

1968 photograph.

1982 photograph

1990 photograph.

Εικόνα 1. Η εικόνα με τηλεπισκόπιση (τελευταία ανωτέρω), δείχνει την μεταβλητότητα στο pH του εδάφους σε έναν χωράφι και απεικονίζει τις διαφορές στις πρακτικές καλλιέργειας κατά τη διάρκεια των ετών, όπως φαίνεται σε αυτήν την σειρά παλαιών αεροφωτογραφιών.

Δεδομένα και Μεθοδολογία

Σύγχρονες εναέριες φωτογραφίες και ψηφιακές εικόνες.
Η μεγαλύτερη ανάλυση των στοιχείων της τηλεπισκόπησης εκτελείται σε έναν υπολογιστή με τις ψηφιακές εικόνες. Οι εικόνες μπορούν να αποκτηθούν με την ψηφιοποίηση των φωτογραφιών από τις φωτογραφικές μηχανές με φιλμ ή άμεσα με τις ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και άλλα εξειδικευμένα ηλεκτρονικά όργανα.

Μια φωτογραφία που έχει φηφιοποιηθεί αντιπροσωπεύεται από εκατοντάδες χιλιάδες ή και εκατομμύρια σημεία που αποκαλούνται pixel (οικονοστοιχεία) και αποθηκεύεται ηλεκτρονικά. Οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές καταγράφουν το συντελεστή ανάκλασης με τις σειρές μικροσκοπικών αισθητήρων και αποθηκεύουν τις εικόνες άμεσα, χωρίς τη χρήση της φωτογραφικής ταινίας. Φίλτρα φωτός, προηγμένοι ηλεκτρονικοί αισθητήρες και ειδικής χρήσης φιλμ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συλλέξουν την ενέργεια του φωτός αόρατη στο ανθρώπινο μάτι και από συγκεκριμένα μέρη του ηλεκτρομαγνητικού (EΜ) φάσματος. Μέσω αυτών των τεχνολογιών, η τηλεπισκόπηση με τις ψηφιακές εικόνες μπορεί να παρέχει περισσότερες και διαφορετικές πληροφορίες από οι έντυπες φωτογραφίες μπορούν να παρέχουν.

ΕΙΚΟΝΑ 2
Το ορατό φως είναι σχετικά μία περιορισμένη ζώνη στο Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (EM). Η τηλεπισκόπηση μετρά τον συντελεστή ανάκλασης της ακτινοβολίας EM μέσα και έξω από την ορατή ζώνη.
Ιδιότητες συντελεστή ανάκλασης του εδάφους, του ύδατος και των φυτών

Για τις περισσότερες εφαρμογές, οι φωτογραφικές μηχανές και τα παρόμοια όργανα στηρίζονται στην ενέργεια από τον ήλιο για να φωτίσουν την επιφάνεια που φωτογραφίζεται. Το φως διαβιβάζεται, απορροφάται ή αντανακλάται ανάλογα με τις ιδιότητες των υλικών που προσπίπτει. Τελικά, όλο το φως είτε απορροφάται από κάποιο αντικείμενο είτε ανακλάται.Η ενέργεια του φωτός που απορροφάται μετατρέπεται σε θερμότητα. Το ανακλώμενο φως μπορεί να καταγραφεί από φωτογραφικό φιλμ ή από ηλεκτρονικούς αισθητήρες.
Όταν η ενέργεια του ήλιου προσπίπτει σε μια επιφάνεια, το ποσό και ο τύπος συντελεστή ανάκλασης εξαρτώνται από τη σύνθεση της επιφάνειας που χτυπά και τη γωνία της πρόσπτωσης. Παραδείγματος χάριν, το φωτισμένο έγχρωμο έδαφος ανακλά περισσότερο φως του ήλιου από το σκοτεινό έδαφος. Αντιθέτως, το σκοτεινό χώμα απορροφά περισσότερο την ενέργεια του ηλιακού φωτός και θερμαίνεται γρηγορότερα. Οι οργανισμοί του ύδατος έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά του συντελεστή ανάκλασης από το γυμνό έδαφος, και η ποιότητα του συντελεστή ανάκλασης ποικίλλει με το βάθος και τη θολούρα του ύδατος.
Ο συνολικός συντελεστής ανάκλασης από τις επιφάνειες των φυτών ποικίλλει καθ' όλη τη διάρκεια της εποχής και καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας καθώς η ενέργεια του ήλιου αλλάζει. Εντούτοις, οι πιό χρήσιμες πληροφορίες παρέχονται από τις διαφορές στο συντελεστή ανάκλασης μεταξύ των διάφορων ζωνών του φάσματος EM. Αυτές οι διαφορές στο συντελεστή ανάκλασης κατά μήκος ολόκληρου του φάσματος EM μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διακρίνουν την υγιή βλάστηση από τη νεκρωτική ή την διαταραγμένη βλάστηση. Οι διάφοροι παράγοντες, μεταξύ των οποίων η ξηρασία, η θρεπτική ανεπάρκεια, η ασθένεια, τα παράσιτα και η επίδραση από τα ζιζανιοκτόνα μπορούν να μειώσουν ή να αλλάξουν την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη και άλλες ουσίες που έχουν επιπτώσεις στο συντελεστή ανάκλασης της βλάστησης. Η χλωροφύλλη απορροφά το μεγαλύτερο μέρος του φωτός από την κόκκινη και μπλε ζώνη του ορατού φάσματος αλλά ανακλά τα πράσινα μήκη κύματος ως εκ τούτου τα φύλλα εμφανίζονται πράσινα όταν η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη είναι υψηλή. Όταν τα φύλλα χάνουν τη χλωροφύλλη, υπάρχει λιγότερη απορρόφηση και αναλογικά περισσότερη αντανάκλαση των κόκκινων μηκών κύματος, που κάνουν τα φύλλα να εμφανιστούν κόκκινα ή κίτρινα (κίτρινος είναι ένας συνδυασμός κόκκινων και πράσινων μηκών κύματος). Η εσωτερική δομή των υγιών φύλλων ανακλά επίσης το φώς της γειτονιάς του υπέρυθρου ως εκ τούτου ο συντελεστής ανάκλασης του εγγύς υπέρυθρου είναι ένα άριστο μέτρο της υγείας της βλάστησης συγκομιδών.
Οι αναλογίες του συντελεστή ανάκλασης από μεταξύ αυτών των συγκεκριμένων τύπων φώτων μπορούν να χρησιμεύσουν ως «τα δακτυλικά αποτυπώματα ή οι υπογραφές» για την ανίχνευση των χαρακτηριστικών του εδάφους, ύδατος και της καλλιέργειας που είναι σημαντικά στη διαχείριση της συγκομιδής. Ως εκ τούτου, τα χρώματα ή οι σκιές σε έναν χάρτη που αναπτύχθηκε από στοιχεία τηλεπισκόπισης θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύσουν είτε τα αληθινά χρώματα είτε τα ψεύτικα χρώματα. Τα «ψεύτικα» χρώματα παρέχουν είτε μια οπτική αντιπροσώπευση των συγκεκριμένων, άμεσα μετρημένων ιδιοτήτων του συντελεστή ανάκλασης είτε κατηγορίες ορισμένων συνδυασμών ιδιοτήτων του συντελεστή ανάκλασης που αντιπροσωπεύουν μια υψηλή πιθανότητα μιας ιδιαίτερης κατάστασης, όπως η διαταραχή που προκαλείται από τις θρεπτική ανεπάρκειες, τις ασθένειες ή την ξηρασία.
Εξειδικευμένες φωτογραφικές και ηλεκτρονικές τεχνολογίες
Το φωτογραφικό φιλμ είναι βασικά δύο τύπων - πανγχρωματικό και έγχρωμο. Το πανγχρωματικό φιλμ, που χρησιμοποιείται για να παρέχει ασπρόμαυρες εικόνες, είναι ευαίσθητο στο ορατό φως καθώς επίσης και στο υπέρυθρο φως μέχρι το ανώτερο όριο των 900 nm και υπεριώδες φως μέχρι το κατώτερο όριο των 300 nm. Το κανονικό έγχρωμο φιλμ αποτελείται από τρεις στρώσεις ευαίσθητες στο κόκκινο, πράσινο και μπλε φως και παράγει τις φωτογραφίες που φαίνονται κανονικές στο μάτι. Το έγχρωμο- υπέρυθρο φιλμ (CIR) είναι επίσης ένα φιλμ με τρεις στρώσεις αλλά είναι ευαίσθητο στο υπέρυθρο, κόκκινο και πράσινο φως. Όταν υποβάλλεται σε επεξεργασία, το αποτελεσμα του φιλμ CIR δίνει μια εικόνα «ψεύτικου χρώματος» στην οποία το υπέρυθρο φως είναι τυπωμένο κόκκινο, το κόκκινο φως είναι τυπωμένα πράσινο, και η πράσινη βλάστηση εμφανίζεται μπλε. Το υπόλοιπο μπλε φως προσφέρει συχνά λίγες χρήσιμες πληροφορίες. Η πολλαπλής ζώνης φωτογραφία χρησιμοποιεί τους πολλαπλάσιους φακούς και τους διάφορους συνδυασμούς ταινιών και φίλτρων για να καταγράψει τις ταυτόχρονες φωτογραφίες του τοπίου από διάφορες μικρές ή ιδιαίτερες φασματικές σειρές.
Διάφορες τεχνολογίες είναι σε λειτουργία προκειμένου να συγκεντρωθούν τα δεδομένα του συντελεστή ανάκλασης ηλεκτρονικά. Η ορολογία που χρησιμοποιείται για να περιγράψει αυτές τις τεχνολογίες περιλαμβάνει συχνά προθέματα όπως πολυ- και υπερ- για να δείξει περίπου πόσες χωριστές ζώνες του συντελεστή ανάκλασης μετριούνται. Ο όρος πολυφασματικός χαρακτηριστικά υπονοεί ότι περίπου τέσσερις σχετικά ευρείες ζώνες του συντελεστή ανάκλασης μετριούνται, ενώ ο όρος υπερφασματικός συνήθως υπονοεί ότι περίπου μια τάξη 100 σχετικά στενών ζωνών του συντελεστή ανάκλασης μετριέται. Η ποιότητα ή η αξία των δεδομένων της τηλεπισκόπισης συσχετίζονται με την φασματική, χωρική και χρονική ανάλυση.
Η φασματική ανάλυση είναι ο βαθμός στον οποίο τα μήκη κύματος του φωτός στο φάσμα είναι διαχωρισμένα. Οι διάφοροι τύποι αισθητήρων χρησιμοποιούνται για να συλλέξουν το απεικονισμένο φως από διάφορα τμήματα του EM φάσματος. Μια ασπρόμαυρη (γκρίζα κλίμακα) εικόνα έχει την χαμηλή φασματική ανάλυση επειδή αποτελείται από το φως από το ορατό φάσμα, αλλά χωρίς τα χρώματα. Αντίθετα, μια εικόνα χρώματος έχει την υψηλότερη φασματική ανάλυση. Στην πράξη, τα φίλτρα και οι πολλαπλοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για να συλλέξουν το φως από πολλές στενές ζώνες του EM φάσματος για να παρέχουν την φασματική ανάλυση.

Ερμηνεία εικόνας: Επαλήθευση στο έδαφος και κατευθυνόμενη αναγνώριση.

Επειδή τα στοιχεία τηλεπισκόπησης υπολογίζουν κατά μέσο όρο τα χαρακτηριστικά του συντελεστή ανάκλασης από μια σχετικά μεγάλη περιοχή που μπορεί να περιλάβει διάφορα φυτά, η ακριβής αιτία της μεταβλητότητας δεν είναι συνήθως σαφής από τις εικόνες και μόνο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, μόνο η επιθεώρηση από το έδαφος μπορεί να παρέχει μια αξιόπιστη εξήγηση για αυτή τη μεταβλητότητα.
Επίγεια επαλήθευση είναι η πράξη της προσωπικής μετάβασης σε ένα χωράφι για να καθοριστεί η αιτία της μεταβλητότητας που ανιχνεύεται σε μια εικόνα. Τρακτέρ με κατάλληλα τοποθετημένους αισθητήρες μετρούν κινούμενοι στο έδαφος την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτοί οι κινητοί αισθητήρες παρέχουν μια εναλλακτική μέθοδο για τις μετρήσεις του συντελεστή ανάκλασης και προσφέρουν τη δυνατότητα των σε πραγματικό χρόνο ρυθμίσεων των πρακτικών διαχείρισης. Συγκεκριμένα, τα ραδιόμετρα χρησιμοποιούνται για να μετρήσουν την πρασινάδα της κόμης στις καλλιέργειες όπως το καλαμπόκι για να αναπτύξουν μια μέθοδο για να ρυθμίσουν αυτόματα τα ποσοστά αζώτου κατά τη διάρκεια της εφαρμογής. Παρόμοιοι αισθητήρες αναπτύσσονται για να ανιχνεύσουν τα ζιζάνια ή τα έντομα για την επιλεκτική εφαρμογή του αντίστοιχου φυτοφαρμάκου και για τη λήψη των διαχειριστικών αποφάσεων.

Συμπέρασμα
Οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης παρέχουν ένα σημαντικό εργαλείο ενίσχυσης στην επιτόπια εξειδικευμενη διαχείριση των συγκομιδών. Η τηλεπισκόπηση έχει τη δυνατότητα να παρέχει σε πραγματικό χρόνο ανάλυση των ιδιοτήτων μιας εξελισσόμενης καλλιέργειας που μπορεί να βοηθήσει στη λήψη των έγκαιρων διαχειριστικών αποφάσεων που έχουν επιπτώσεις στο προιόν της τρέχουσας συγκομιδής. Εντούτοις, όπως άλλες τεχνολογίες για την επίτευξη γεωργίας ακριβείας, οι πληροφορίες που λαμβάνονται από την τηλεπισκόπηση είναι σημαντικότερες όταν συνδυάζονται με άλλα διαθέσιμα στοιχεία. Για αυτόν τον λόγο, ακόμη και οι παλαιότερες φωτογραφίες μπορούν να πάρουν νέα αξία. Η ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης στις διαχειριστικές δραστηριότητές απαιτεί πειθαρχία και θα απαιτήσει νέες τεχνικές διαχείρισης και τεχνικές δεξιότητες. Για να είναι επιτυχημένη, η τηλεπισκόπηση πρέπει να συνοδευθεί από ένα καλό συμβατικό πρόγραμμα ανίχνευσης και τοπογραφίας και τα οφέλη των βελτιώσεων στη διαχείριση πρέπει να αντισταθμίσουν το κόστος απόκτησης της τεχνολογίας καθώς επίσης και τον πρόσθετο χρόνο που θα αναλωθεί στη διαχείριση.